Частотный метод контроля качества гальванопокрытий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Електричні машини та апарати

УДК 621.586

В.Ф. Безотосный, В.В. Козлов, О.В. Набокова

ЧАСТОТНЫЙ метод контроля качества гальванопокрытии

У статті розглянуто метод контролю електромагнітних циліндричних виробів прохідними перетворювачами. Опрацьований частотно-балансний метод має суттєво вишу, порівняно з аналоговими, розрізнювальну здатність та точність вимірювань. Надано теоретичне обґрунтування способу та результати експериментальних досліджень. Теоретична модель підтверджена експериментальними дослідженнями. Розрізнювальна здатність метода сягає 0,03...0,1 мкм.

В статье рассмотрен метод контроля электромагнитных цилиндрических изделий проходными преобразователями. Разработанный частотно-балансный метод имеет существенно более высокую, в сравнении с аналоговыми, разрешающую способность и точность измерений. Предоставлено теоретическое обоснование способа и результаты экспериментальных исследований. Теоретическая модель подтверждена экспериментальными исследованиями. Разрешающая способность метода достигает 0,03...0,1 мкм.

Проходные преобразователи цилиндрической формы с намагничивающей и измерительными обмотками, внутрь которых помещается контролируемое изделие, широко применяются для контроля электромагнитных свойств различных изделий. Их принцип работы основан на токовихревом эффекте. При прохождении по обмотке возбуждения намагничивающего тока значение изменения магнитного потока, определяется значением потерь на вихревые токи. По изменению электродвижущей силы, наводимой в измерительной обмотке, определяют электромагнитные свойства контролируемого материала [1, 2].Точность контроля в большей степени зависит от девиации значения и частоты намагничивающего тока, что требует применения дополнительных электронных устройств. Точность контроля изделий может быть значительно повышена, если использовать разработанный токовихревой частотно-балансный метод [3-5].

При частотно-балансном методе определяется частота намагничивающего тока, при которой выходной сигнал, снимаемый с измерительной обмотки размещенного в преобразователе изделия, равен выходному сигналу с измерительной обмотки без изделия. Анализ выходных характеристик показывает, что частота токовихревого баланса практически не зависит от изменения значения намагничивающего тока. Так в диапазоне намагничивающего тока /н = 1...15 мА изменение его на +80 % изменяет частоту баланса всего на 1,1 %. Возможные изменения частоты намагничивающего тока вообще не скажутся на результатах измерений, так как при определении балансной частоты они автоматически будут скомпенсированы. Достоинством метода является также то, что в качестве информации используется частота намагничивающего тока, а не аналоговый сигнал, что обеспечивает большую разрешающую способность и позволяет эффективно использовать цифровую измерительную аппаратуру без каких-либо преобразований полезной информации [6].

Приведены результаты исследований по применению токовихревого частотно-балансного метода для контроля проходными преобразователями толщины покрытий, наносимых на цилиндрические ферромагнитные изделия.

Для определения зависимости частоты токовихревого баланса / от толщины Д электропроводного покрытия с электропроводностью уэ рассмотрим слу-

чай, когда покрытие нанесено на ферромагнитную среду с проводимостью уф и магнитной проницаемостью Дф. Ограничим исследуемую ферромагнитную среду длинным цилиндром с радиусом г. Примем, что намагничивающая обмотка обеспечивает падение плоской электромагнитной волны на поверхность электропроводного покрытия. При рассмотрении электромагнитной волны в материале электропроводного покрытия амплитуда напряженности магнитного поля по толщине покрытия изменяется по закону [7]

нх =-

Но

( юу3^3 )о,5

(1)

где Н0 - напряженность магнитного поля на поверхности покрытия; уэ, дэ - электропроводность и магнитная проницаемость материала электропроводного покрытия; х - текущая координата по глубине покрытия.

Среднее значение магнитного потока, проходящего через покрытие за полупериод, определяется соотношением согласно [7]

2 1

Ф = - Ноц э 5 -

тт Л •>

3

’ ёх,

(2)

где площадь поперечного сечения покрытия

2 2

5 = пё----я^. (3)

4 4

Так как й\ = ё - Д, с достаточной точностью можно записать

пёА

2

(4)

Значение интеграла в соотношении (2) является табличным и определяется следующим выражением

~АХ - 1 (1 - е^зТз ).

0 л/ую^уэ

Учитывая, что ^[] = (1 + ]) / л/2, получаем

(5)

X

е

I е~ зі з ^х = 1 ~ е “ ^ а + е “ с°Є а

0 л/2юН- эУ э

. 1 - е а 8Іи а + е а с°8 а

V2

ЮЦ эУ э

где

= д( ЮН- э У з )0,5

(7)

Результаты расчета показывают, что при а>5 модуль комплексного выражения, входящего в соотношение (6), примерно равно 1. Тогда, с учетом соотношения (6), выражение (2) примет вид

1

2ЮЦ э у з

(8)

(9)

где Нф0 - напряженность поля на поверхности ферромагнетика; НпА - напряженность поля на поверхности покрытия толщиной Д.

Следовательно, учитывая (1), напряженность поля на поверхности ферромагнетика, определяется соотношением

е

Д( зУз )0,5

2

(10)

Ограничиваясь вторым членом разложения обратной показательной функции, так как о значительно больше первого, получим

Н фо

2 Н о

юц э у э Д

2 ’

(11)

Для дальнейшего расчета примем, что по всему сечению ферромагнитного материала действует постоянная напряженность Нф0, и введем фиктивную магнитную проницаемость для учета реального распределения напряженности поля. Тогда магнитный поток, проходящий через ферромагнетик, равен

Фф - ^фоН-'ф

(12)

Для нахождения фиктивной магнитной проницаемости Дф определим магнитный поток Фф за полу-период

і п/2<х>

Жи Г Г іглі ~ хл,

Фф = Яфо3цф ^ | |е^е~х]фїф Лёх . (13)

0 0

Проинтегрировав соотношение (13), получаем

фф - 2^фн-Фё1

Ч I

ф у ф

а для абсолютного значения магнитного потока

2^ фо Н- ф ё1

фф =

7™^ФУФ

(14)

(15)

где Цф, уф - магнитная проницаемость и электропроводность ферромагнитного материала.

Фиктивная магнитная проницаемость, с учетом соотношение (12) и (15), имеет вид

^ф:

8Н- ф

(16)

С учетом граничных условий в области раздела электропроводной и ферромагнитной среды, т.е. при х = Д, запишем

Приняв во внимание соотношения (11) и (16), выражение (12) запишем в виде

Фф =-

(17)

ЮН- э У э ^Т^фУф"

При работе преобразователя в режиме холостого

хода

Ф о =

(18)

Поскольку магнитный поток в режиме холостого хода преобразователя, по крайней мере, на порядок больше чем магнитный поток, проходящий в материале покрытия, условие токовихревого баланса примет вид

Ф о = Фф

Или, с учетом соотношений (17) и (18)

4-^<э Ц фё1

Л2Т^ЦфУф

(19)

(20)

откуда частота токовихревого баланса

/ = — 6 2п

16Цф

2 2 ,4 2 2 л4

Уэ^эУфД ^ол ё

(21)

Соотношение (21) имеет физический смысл при Д>0, так как оно получено с учетом ослабления напряженности поля электропроводным покрытием. При расчетах балансной частоты по соотношению (21), когда контролируемый образец имеет конечные размеры, необходимо учитывать размагничивающее влияние формы контролируемых деталей. В этом случае магнитная проницаемость ферромагнитного изделия равна

Н- фр - Н- ф

1

Л N Г 1 + 4п (Цф "1)

(22)

где N/4л - коэффициент размагничивания для цилиндрических изделий, определяемый по номограммам [7].

е

4

1

3

Экспериментальные исследования проводились на цилиндрических образцах диаметром 1,5 см из отожженной стали Ст.3 с медным покрытием толщиной 5.. .80 мкм на установке, блок-схема которой по-казананарис. 1.

Рис. 1. Блок-схема прибора

Экспериментальный и теоретический графики зависимости частоты баланса от толщины покрытия представлены на рис. 2.

Анализ графиков выходных характеристик показывает, что экспериментальные результаты достаточно хорошо согласуются с теоретическими, погрешность расчетов не превышает 15 %, что вполне приемлемо при электромагнитных расчетах.

Рис. 2. Выходные характеристики: 1 - теоретическая,

2 - экспериментальная

Исследованиями установлено, что токовихревым частотно-балансным методом можно измерять электропроводные покрытия толщиной Д до 20 мкм с разрешающей способностью не менее 0,03 мкм, а при Д>20 мкм - не менее 0,1 мкм. Разрешающая способность обычного токовихревого метода составляет примерно 5 мкм.

ВЫВОДЫ

Таким образом, точность контроля толщины покрытий токовихревым частотно-балансным методом значительно увеличивается за счет практически полной отстройки от влияния девиации частоты и величины намагничивающего тока, а также благодаря использованию в качестве выходной информации частоты намагничивающего тока, что позволяет эффективно использовать цифровую измерительную аппаратуру.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безотосний В.Ф., Власенко Е.В., Козлов В.В., Афанасьева I.O., Набокова О.В. Деякі актуальні напрямки неруйнуючого контролю властивостей матеріалів електромагнітними методами // Електротехніка і електромеханіка. - 2008. - № 6. -

С. 45-48.

2. Безотосный В.Ф., Козлов В.В., Набокова О.В. Современные подходы и перспективные направления разработки систем управления по силовому параметру // Електротехніка і електромеханіка. - 2008. - № 3. - С. 5-6.

3. Чаплыгин В.И., Безотосный В.Ф. Электромагнитный преобразователь усилий // Изв. вузов. Электромеханика. Москва. - 1977. - № 10. - С. 1159-1163.

4. Безотосний В.Ф., Козлов В.В. Використання частотнобалансного методу в системах керування обладнанням за силовим параметром // Тези доповідей наук.-техн. конф. "Тиждень науки". ЗНТУ. - 2008. - С. 51-52.

5. Безотосный В.Ф., Козлов В.В., Набокова О.В. К вопросу повышения точности расчета выходных характеристик базового многофункционального магнитоупругого датчика // Вісник НТУ "ХПІ". - 2010. - № 48. - С. 56-59.

6. Власенко Е.В., Безотосний В.Ф. Використання частотнобалансного методу в системах керування обладнанням за силовим параметром // Тези доповідей наук.-техн. конф. "Тиждень науки". ЗНТУ. - 2008. - С. 63-64.

7. Ламмерянер И., Штафль М. Вихревые токи. М.: Энергия, 1987. - 210 с.

Поступила 27.10.2010

БезотосныйВладимир Федорович, к.т.н., доц. КозловВладимирВладимирович, к.т.н., доц.

Набокова Ольга Владимирова

Запорозький національний технічний університет

кафедра "Теоретична та загальна електротехніка"

69063, Запоріжжя, вул. Жуковського, 64 тел. (061) 228-16-12

V.F. Bezotosniy, V.V. Kozlov, O.V. Nabokova Non-destroying control of the properties of materials by electromagnetic methods.

The questions of the control of non-electrical and electrical parameters of materials by electromagnetic methods are considered in this article. The system of the automatic non-destroying control of mechanical pressures in the details of the radio-electronical equipment is offered.

Key words - control of non-electrical parameters, non-destroying control, mechanical pressures.